CN104156995A - 一种针对敦煌飞天形象的飘带动画制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对敦煌飞天形象的飘带动画制作方法。在制作飘带动画过程中，使用物理模拟引擎，控制飘带运动形态的方式比较复杂，难以便捷还原出敦煌壁画中飘带的形态。而使用关键帧等方法，较好地保留了动画师的设计意图，但难以体现飘带运动的物理特征，导致飘带运动不真实。本发明将关键帧和物理模拟融合在一起。采用绘制飘带形态关键帧的方法，直观地指定敦煌壁画中飘带运动的形态。根据形态关键帧，通过逆向物理模拟计算出飘带运动的控制力和速度这两个参数，附加到飘带的正向物理模拟中，从而绘制出符合敦煌飘带形态并满足物理运动规律的飘带动画。形成针对敦煌飞天形象的飘带动画制作的新方法。

Description

一种针对敦煌飞天形象的飘带动画制作方法

技术领域

本发明涉及动画行业中敦煌飞天形象的动画制作方法，特别涉及一种针对敦煌飞天形象的飘带动画制作方法。

背景技术

飘带是飞天形象的精髓，生动地展现了飞天的动感美。飞天动画一般可以从动画形式上分为两种类型，三维飞天动画和二维飞天动画。

在三维飞天动画中，使用柔体物理模拟引擎，模拟飘带运动。动画师通过调节布料的物理属性以及环境中的力场，对飘带进行物理模拟，制作出飘带运动动画。使用物理模拟的方法，可以保留飘带运动的物理特征，增强运动的真实感。但是，这种通过调整物理属性和环境力场控制飘带运动形态的方式，不够直观，在艺术表现力方面比较欠缺，难以准确还原敦煌壁画中飘带的形态。

在二维飞天动画中，根据动画师对飘带运动规律的经验性理解，手工指定飘带的运动。动画师通过手动绘制关键帧，然后对飘带进行关键帧插值，绘制出飘带运动的动画序列。动画师可以直观控制飘带的运动形态，并可体现动画师的艺术理解，相对准确地还原敦煌壁画中飘带的形态。

在目前的动画制作软件中，一般通过调节布料的物理属性以及环境中的力场，绘制飘带的模拟动画。对于动画师来说，这一过程操作不够直观，难以控制飘带运动形态，难以体现还原敦煌壁画中飘带运动的艺术形态。这种手动绘制关键帧的方式，难以符合飘带运动的物理规律，绘制得到的飘带运动动画缺少物理真实感。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种针对敦煌飞天形象的飘带动画制作方法，既能符合飘带的物理运动规律，又能和壁画中的艺术性运动形态更为接近。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种针对敦煌飞天形象的飘带动画制作方法，包含以下步骤：

(1)在场景中，根据原始壁画内容，交互绘制出飘带的多个形态关键帧；

(2)使用关键帧约束，建立符合飘带运动规律的优化目标方程，逆向求解飘带运动的物理参数，根据步骤1中的形态关键帧，每两帧间，前一帧作为初始形态关键帧，后一帧作为目标形态关键帧，基于满足飘带运动规律的目标方程进行优化计算，将求解出的控制力和速度这两个参数，附加到飘带的正向物理模拟中，使飘带运动趋向目标形态关键帧；

(3)反复执行步骤(1)以及步骤(2)，绘制得到敦煌飞天形象的飘带动画。

所述步骤(1)具体为：

(1.1)将预先绑定骨骼的飞天人物的三维网格模型导入场景；

(1.2)将符合骨骼规格的姿态运动数据赋给步骤(1.1)中的飞天人物的三维网格模型，驱动飞天人物的运动；

(1.3)在步骤(1.1)的场景中，以贝塞尔曲线形式绘制飘带形状，将飘带摆在人物网格模型的肩部位置；

(1.4)选择时间轴的任意一帧，交互调整飘带的形态，使得飘带运动形态与原始壁画中的运动形态或者动画师预想的运动形态更为接近，并把它设为形态关键帧；

(1.5)反复执行步骤(1.4)，得到飘带的多个形态关键帧。

所述步骤(2)具体为：

(2.1)使用三次贝塞尔曲线算法，离散出飘带上的点；在各点上，沿着贝塞尔曲线所在平面的法线方向，扩展出任意宽度；

(2.2)将步骤(2.1)中的飘带上的点重采样，使得曲线方向上相邻点等距分布；

(2.3)将长度方向上相邻的点与宽度方向上的点迭代建立为面，构建网格模型；

(2.4)按照网格顶点的顺序，自动设置每个面上顶点的纹理坐标；并根据面的法向与视线的夹角，获知飘带的正反面信息，显示不同的纹理贴图，得到双面材质的飘带渲染结果；

(2.5)进行一次飘带运动模拟，记录碰撞点的时序位置信息；

(2.6)在后续的计算中，对于步骤(2.5)中的碰撞点，重复其时序位置，对于飘带网格的其余顶点，附加初始的控制力和速度这两个参数，通过布料模拟来确定其运动；

(2.7)将逆向计算控制力和速度这两个参数转化为一个优化问题，通过迭代计算和更新控制力和速度这两个参数，使得物理模拟产生的飘带形态与目标形态关键帧的飘带形态之间的差异最小化，控制力和速度这两个参数逆向计算作为一个优化问题，其目标方程是：

其中，x是模拟飘带网格顶点的位置，v是模拟飘带网格顶点的速度，u是求解的飘带网格顶点附加控制力；x^*是目标飘带网格顶点的位置，v^*是目标飘带网格顶点的速度，是所有网格顶点的u的均值；α、β是速度优化及控制力优化的参数，Q是物理状态q在整个时间序列的集合，设定飘带的网格顶点个数为m，将顶点在第n帧的物理状态(速度、位置)记为q_n＝<v_n,x_n>；x_n是模拟飘带网格顶点在第n帧的位置，是目标飘带网格顶点在第n帧的位置，v_n是模拟飘带网格顶点在第n帧的速度，是目标飘带网格顶点在第n帧的速度，|| ||表示范式；

(2.8)计算目标方程的函数值，并通过伴随法求解目标方程的梯度，使用拟牛顿算法优化求解，得到控制力和速度这两个参数，替换步骤(2.6)中飘带网格顶点的初始的控制力和速度这两个参数，执行步骤(2.6)，不断迭代，直到目标方程的函数值或多次迭代的变化值小于一个阈值；

(2.9)将步骤(2.8)求解得到的控制力和速度这两个参数，附加到飘带的正向物理模拟中，使飘带运动从初始形态关键帧在优化意义下趋向目标形态关键帧。

本发明的有益效果是，能够直观融合动画师的设计意图，更为接近敦煌壁画中的具有艺术性的飘带形态，并绘制出符合物理运动规律的飘带动画。本发明采用绘制飘带形态关键帧的方法，准确和直观地控制飘带运动形态，更为接近敦煌壁画中飘带运动的艺术形态，并整合物理模拟方法，根据形态关键帧，通过逆向物理模拟计算出控制力和速度这两个参数，附加到飘带的正向物理模拟中，绘制出符合物理运动规律的飘带动画，满足了动画师对飘带动画的艺术体现和真实感的控制需求。

附图说明

图1为本发明制作敦煌飞天形象的飘带动画的流程图。

具体实施方式

实施例1

读取飞天人物的三维网格模型文件，完成敦煌飞天形象的飘带动画。方法的具体实施方式如下(参见图1)：

步骤1：将预先绑定骨骼的飞天人物的三维网格模型导入场景，要求这个三维网格模型中不含有飘带部分，绑定飞天运动预设模板所规定的标准骨骼。三维网格模型可以存放入资源及预设模板数据库中，便于重复使用。

资源及预设模板数据库包含三维人物网格模型、人物姿态运动数据、飘带形态模板和飘带纹理模板，有效管理和利用动画制作过程中的资源文件。

步骤2：将符合骨骼规格的姿态运动数据赋给步骤(1)中的人物网格模型，可驱动飞天人物网格模型的运动，具体为：

(2.1)动画师可以手工制作人物的姿态运动数据，或者通过动作捕捉获取人物的姿态运动数据，将其保存在数据库中，便于重复利用；

(2.2)将运动数据中每个骨骼节点的偏移和旋转量，应用到三维人物网格模型绑定的对应骨骼节点上，以驱动三维人物网格模型骨骼的运动；

(2.3)骨骼和人物网格模型的网格顶点间有对应的蒙皮信息，反映骨骼节点运动与网格顶点变形的对应关系，以带动三维人物网格模型的运动；

步骤3：在步骤1的场景中，参考敦煌壁画中的具有艺术性的飘带形态，融合动画师的设计意图，以曲线形式直观地绘制飘带形状，将飘带摆在人物模型肩部的位置，交互调整飘带的形态，绘制飘带的多个形态关键帧，具体为：

(3.1)贝塞尔曲线使用少量的控制点描述曲线的形状，使用三次贝塞尔曲线描述飘带的形状；

(3.2)根据三维网格模型的位置自动设定其初始位置，选中整个飘带，可以改变飘带的位置；

(3.3)调整控制点的位置，可改变飘带曲线的形态，参考敦煌壁画中的具有艺术性的飘带形态，绘制飘带的形态关键帧；

(3.4)在需要精细化控制的部分，局部增加控制点的数量，调整控制点位置，绘制出更加精细的形态；

(3.5)在确定了曲线的形态后，依照曲线所在平面的法线方向以任意的宽度将曲线扩展成为平面，便于预览飘带的效果；

(3.6)在控制点的位置改变法线的方向，可局部扭转飘带；

(3.7)反复执行步骤(3.3)到步骤(3.6)，绘制多个飘带形态关键帧。

步骤4：使用关键帧约束，建立符合飘带运动规律的优化目标方程，逆向求解飘带运动的物理参数，根据步骤3中的形态关键帧，每两帧间，前一帧作为初始形态关键帧，后一帧作为目标形态关键帧，基于满足飘带运动规律的目标方程进行优化计算，将求解出的控制力和速度这两个参数，附加到飘带的正向物理模拟中，使飘带运动从初始形态关键帧在优化意义下趋向目标形态关键帧，运动满足物理运动规律，具体为：

(4.1)使用三次贝塞尔曲线算法，离散出飘带上的点；在各点上，沿着贝塞尔曲线所在平面的法线方向，扩展出任意宽度；

(4.2)为了布料模拟考虑，将步骤(4.1)中飘带上的点重采样，使得曲线方向上相邻点等距分布；

(4.3)将长度方向上相邻的点与宽度方向上的点迭代建立为面，构建网格模型；

(4.4)按照网格顶点的顺序，自动设置每个面上顶点的纹理坐标。并根据面的法向与视线的夹角，获知飘带的正反面信息，显示不同的纹理贴图，可得到双面材质的飘带渲染结果。

(4.5)进行一次飘带运动模拟，记录碰撞点的时序位置信息。

(4.6)在后续的计算中，对于步骤(4.5)中的碰撞点，重复其时序位置，对于飘带网格的其余顶点，附加初始的控制力和速度这两个参数，通过布料模拟来确定其运动；

(4.7)将逆向计算控制力和速度这两个参数转化为一个优化问题，通过迭代计算和更新控制力和速度这两个参数，使得物理模拟产生的飘带形态与目标形态关键帧的飘带形态之间的差异最小化，控制力和速度这两个参数逆向计算作为一个优化问题，其目标方程是：

其中，x是模拟飘带网格顶点的位置，v是模拟飘带网格顶点的速度，u是求解的飘带网格顶点附加控制力；x^*是目标飘带网格顶点的位置，v^*是目标飘带网格顶点的速度，是所有网格顶点的u的均值；α、β是速度优化及控制力优化的参数，Q是物理状态q在整个时间序列的集合，设定飘带的网格顶点个数为m，将顶点在第n帧的物理状态(速度、位置)记为q_n＝<v_n,x_n>；x_n是模拟飘带网格顶点在第n帧的位置，是目标飘带网格顶点在第n帧的位置，v_n是模拟飘带网格顶点在第n帧的速度，是目标飘带网格顶点在第n帧的速度，|| ||表示范式；

(4.8)计算目标方程的函数值，并通过伴随法求解目标方程的梯度，使用拟牛顿算法优化求解，得到控制力和速度这两个参数，替换步骤(4.6)中飘带网格顶点的初始的控制力和速度这两个参数，执行步骤(4.6)，不断迭代，直到目标方程的函数值或多次迭代的变化值小于一个阈值；

(4.9)将步骤(4.8)求解得到的控制力和速度这两个参数，附加到飘带的正向物理模拟中，使飘带运动从初始形态关键帧在优化意义下趋向目标形态关键帧；

步骤5：用户可反复步骤(3)至步骤(4)，从而绘制出符合敦煌飘带形态并满足物理运动规律的飘带动画，满足动画师对飘带动画的艺术体现和真实感的控制需求。

Claims (3)

1.一种针对敦煌飞天形象的飘带动画制作方法，其特征在于，包含以下步骤：

(1)在场景中，根据原始壁画内容，交互绘制出飘带的多个形态关键帧；

(2)使用关键帧约束，建立符合飘带运动规律的优化目标方程，逆向求解飘带运动的物理参数，根据步骤1中的形态关键帧，每两帧间，前一帧作为初始形态关键帧，后一帧作为目标形态关键帧，基于满足飘带运动规律的目标方程进行优化计算，将求解出的控制力和速度这两个参数，附加到飘带的正向物理模拟中，使飘带运动趋向目标形态关键帧；

(3)反复执行步骤(1)以及步骤(2)，绘制得到敦煌飞天形象的飘带动画。

2.根据权利要求1所述的一种针对敦煌飞天形象的飘带动画制作方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：

(1.1)将预先绑定骨骼的飞天人物的三维网格模型导入场景。

(1.2)将符合骨骼规格的姿态运动数据赋给步骤(1.1)中的飞天人物的三维网格模型，驱动飞天人物的运动。

(1.3)在步骤(1.1)的场景中，以贝塞尔曲线形式绘制飘带形状，将飘带摆在人物网格模型的肩部位置。

(1.4)选择时间轴的任意一帧，交互调整飘带的形态，使得飘带运动形态与原始壁画中的运动形态或者动画师预想的运动形态更为接近，并把它设为形态关键帧。

(1.5)反复执行步骤(1.4)，得到飘带的多个形态关键帧。

3.根据权利要求1所述的一种针对敦煌飞天形象的飘带动画制作方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：

(2.1)使用三次贝塞尔曲线算法，离散出飘带上的点；在各点上，沿着贝塞尔曲线所在平面的法线方向，扩展出任意宽度；

(2.2)将步骤(2.1)中的飘带上的点重采样，使得曲线方向上相邻点等距分布；

(2.3)将长度方向上相邻的点与宽度方向上的点迭代建立为面，构建网格模型；

(2.4)按照网格顶点的顺序，自动设置每个面上顶点的纹理坐标；并根据面的法向与视线的夹角，获知飘带的正反面信息，显示不同的纹理贴图，得到双面材质的飘带渲染结果；

(2.5)进行一次飘带运动模拟，记录碰撞点的时序位置信息；

(2.6)在后续的计算中，对于步骤(2.5)中的碰撞点，重复其时序位置，对于飘带网格的其余顶点，附加初始的控制力和速度这两个参数，通过布料模拟来确定其运动；

(2.7)将逆向计算控制力和速度这两个参数转化为一个优化问题，通过迭代计算和更新控制力和速度这两个参数，使得物理模拟产生的飘带形态与目标形态关键帧的飘带形态之间的差异最小化，控制力和速度这两个参数逆向计算作为一个优化问题，其目标方程是：

其中，x是模拟飘带网格顶点的位置，v是模拟飘带网格顶点的速度，u是求解的飘带网格顶点附加控制力；x^*是目标飘带网格顶点的位置，v^*是目标飘带网格顶点的速度，是所有网格顶点的u的均值；α、β是速度优化及控制力优化的参数，Q是物理状态q在整个时间序列的集合，设定飘带的网格顶点个数为m，将顶点在第n帧的物理状态(速度、位置)记为q_n＝<v_n,x_n>；x_n是模拟飘带网格顶点在第n帧的位置，是目标飘带网格顶点在第n帧的位置，v_n是模拟飘带网格顶点在第n帧的速度，是目标飘带网格顶点在第n帧的速度，|| ||表示范式；

(2.8)计算目标方程的函数值，并通过伴随法求解目标方程的梯度，使用拟牛顿算法优化求解，得到控制力和速度这两个参数，替换步骤(2.6)中飘带网格顶点的初始的控制力和速度这两个参数，执行步骤(2.6)，不断迭代，直到目标方程的函数值或多次迭代的变化值小于一个阈值；

(2.9)将步骤(2.8)求解得到的控制力和速度这两个参数，附加到飘带的正向物理模拟中，使飘带运动从初始形态关键帧在优化意义下趋向目标形态关键帧。